水塔水位設(shè)計畢業(yè)論文設(shè)計.pdf

山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計（論文）計（論文） 題目：水塔水位 系系部部電氣工程與自動化 專專業(yè)業(yè)機電一體化 班班級級機電 A1004 班 姓姓名名賈國飛 指導教師指導教師宋坤偉 山山西西職職業(yè)業(yè)技技術(shù)術(shù)學學院院 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文2 目目錄錄 摘 要.3 關(guān)鍵詞： 3 第一章PLC 的概述.4 1.1 PLC 簡介 4 1.2 PLC 的基本結(jié)構(gòu)9 第二章水塔水位控制系統(tǒng) PLC 硬件設(shè)計12 2.1 水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計要求.12 2.2 外部接線與控制列表.13 2.3 I/O 接口分配14 2.3.1 列出水塔水位控制系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表.14 2.3.2 水塔水位控制系統(tǒng)的 I/O 設(shè)備14 第三章水塔水位控制系統(tǒng) PLC 軟件設(shè)計15 3.1 程序流程圖.15 3.2梯形圖程序設(shè)計及工作過程分析.16 3.2.1 工作過程17 3.2.2 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖18 第四章水塔水位控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計21 4.1 組態(tài)軟件概述.21 4.2 組態(tài)軟件在我國的發(fā)展.22 4.3 組態(tài)軟件的功能特點和發(fā)展方向.22 4.4 建立 WINCC 組態(tài)畫面.23 4.4.1 WINCC 組態(tài)畫面.23 4.4.2 畫面演示23 參考文獻 31 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文3 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、液位、流量、和開關(guān)量等都是常用的 主要被控參數(shù)。其中，水位控制越來越重要。在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們 正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的 不便，重則可能造成嚴重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦 企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的 水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水 塔、層頂水箱等作為基本儲水設(shè)備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給。傳統(tǒng)的 控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺點?？删幊炭刂破鳎≒LC）是根據(jù) 順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的， 是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的 電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。同時，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護的給水系統(tǒng)是值得我們 研究的課題。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自 動控制。比如自動控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶 的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的 技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、 可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計一個精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就 顯得日益重要。采用 PLC 技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。 關(guān)鍵詞：PLC，控制，儲水設(shè)備 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文4 第一章PLC 的概述 1.1 PLC 簡介 隨著時代的發(fā)展,當今的技術(shù)也日趨完善、競爭愈演愈烈;單靠人工的操作已不 能滿足于目前的制造業(yè)前景,也無法保證更高質(zhì)量的要求和高新技術(shù)企業(yè)的形象. 人們在生產(chǎn)實踐中看到,自動化給人們帶來了極大的便利和產(chǎn)品質(zhì)量上的保證, 同時也減輕了人員的勞動強度,減少了人員上的編制.在許多復雜的生產(chǎn)過程中難以 實現(xiàn)的目標控制、整體優(yōu)化、最佳決策等,熟練的操作工、技術(shù)人員或?qū)＜?、管理?卻能夠容易判斷和操作,可以獲得滿意的效果.人工智能的研究目標正是利用計算機 來實現(xiàn)、模擬這些智能行為,通過人腦與計算機協(xié)調(diào)工作,以人機結(jié)合的模式,為解決 十分復雜的問題尋找最佳的途徑 我們在各種場合看到了繼電器連接的控制，那已經(jīng)是時代的過去，如今的繼電器 只能作為低端的基層控制模塊或者簡單的設(shè)備中使用到； 而 PLC 的出現(xiàn)也成為了劃時 代的主題，通過極其穩(wěn)定的硬件穿插靈活的軟件控制，使得自動化走向了新的高潮。 PLC 的最大特點在于：電氣工程師已不再電氣的硬件上花費太多的心計，只要將 按鈕開關(guān)或感應器的輸入點連接到 PLC 的輸入點上就能解決問題， 通過輸出點連接接 觸器或繼電器來控制大功率的啟動設(shè)備，而小功率的輸出設(shè)備直接連接就可以。 PLC 的內(nèi)部包含了具有中央處理器的 CPU，并帶有外部 I/O 口擴展的 I/O 接口地 址和存儲器三大塊組成，CPU 的核心是由一個或者多個累加器組成，它們具有邏輯的 數(shù)學運算能力，并能讀取程序存儲器的內(nèi)容通過計算后去驅(qū)動相應的存儲器和 I/O 接口；I/O 口將內(nèi)部累加器和外部的輸入和輸出系統(tǒng)連接起來，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)存入 程序存儲器或者數(shù)據(jù)存儲器中；存儲器可以將 I/O 口輸入的數(shù)據(jù)存入存儲器中，并在 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文5 工作時調(diào)轉(zhuǎn)到累加器和 I/O 接口上，存儲器分程序存儲器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲器 RAM,ROM 可以將數(shù)據(jù)永久的存入存儲器中， 而 RAM 只能作為 CPU 計算時臨時計算使用的緩沖空 間。 PLC 的抗干擾是極其優(yōu)秀的，我們根本不用去關(guān)心它的使用壽命和工作場合的惡 劣，這些所有的問題已不再成為我們失敗的主題，而留給我們的是關(guān)心如何來利用 PLC 的內(nèi)部資源為我們加強設(shè)備的控制能力，使我們的設(shè)備更加的柔性。 PLC 的語言并不是我們所想象的匯編語言或 C 語言來進行編程，而是采用原有的 繼電器控制的梯形圖，使得電氣工程師在編寫程序時很容易就理解了 PLC 的語言，而 且很多的非電氣專業(yè)人士也對 PLC 很快認識并深入。 以上僅僅是 PLC 的優(yōu)點之一，這也是人們比較容易理解的一部分，在很多的設(shè)備 中，人們已不再希望看到太多的控制按鈕，它們不但容易損壞而且極易產(chǎn)生人為的失 誤，小的并不是主要的失誤也許你還能夠接受；但過大的甚至是致命的失誤是我們無 法容忍的。新的技術(shù)總是為了給我們帶來更安全和便捷的操作，使得我們面臨的一大 堆問題一掃而光，你有了解過 HMI 嗎？這里說 HMI 你根本不清楚它是什么，也沒有興 趣了解，換一個中文把它說明為觸摸屏或者人機界面你就知道了，它和 PLC 的結(jié)合給 了我們更大的空間。 HMI 控制不僅僅是減少了控制按鈕，增加控制的靈活性，更主要的它是可順序性 的，而且在能夠改變數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出反饋，在溫度控制曲線的模擬也能直觀的顯 示出來。并且能夠通過編寫功能幫助程序來提供各種力所能及的幫助，使得操作者減 少不必要的失誤。HMI 的廠商目前也越來越多，功能也越來越強，價格也越來越低， 使用的面越來越廣。HMI 的前景可以說十分的看好。 在很多場合，單靠單機的控制是無法保證設(shè)備的順暢運行，而通過設(shè)備與設(shè)備的 信息交流達到我們想要的效果。比如在前包裝和后工序的檢測，我們就要將包裝的信 息反饋到檢測處，而檢測處的信息也要反饋到包裝來。這樣通過信息共享來使得兩者 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文6 之間鏈接起來，形成一個共體，從而使的兩者間的配合更加的緊密，在彼此間達到映 影相揮的效果。 PLC 的通信已經(jīng)愈來愈體現(xiàn)它的價值，在 PLC 與 PLC 之間的通信，能夠通過信息 的溝通和數(shù)據(jù)的共享來保證設(shè)備之間的相互協(xié)調(diào)，已達到互補的效果。PLC 之間的數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換采用 RS232 接口來傳送數(shù)據(jù)，而 RS232 接口只能保證 10 米的傳輸距離，如果 在 1000 米的距離內(nèi)我們可以通過 RS485 來進行通信，更長的距離只能通過 MODEL 來 進行傳輸。 PLC 的數(shù)據(jù)傳送只是將內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送到對方的一塊連續(xù)的地址中，我們把它稱 為一個表，對方的 PLC 通過讀取表中的數(shù)據(jù)來進行操作。如果表中的數(shù)據(jù)是一個一般 設(shè)置的數(shù)據(jù)的話，那只是一般的數(shù)據(jù)傳送，比如今天的油價上升了，我要把油價的價 格傳送到所有的輸油機上，那就是數(shù)據(jù)的共享；而當表中的數(shù)據(jù)是一段控制 PLC 的指 令程序，那就很有難度了，比如你要控制一臺機器人來按你想象的動作工作，你會給 它編制一段程序并以數(shù)據(jù)的形式發(fā)送過去。 信息輸送的形式有單工位、半雙工位和全雙工位的分別。單工位的意義也就是說 兩者之間，一個只能發(fā)送，而一個只能接收，比如一個特務他只能接收上司的指示， 而無法給上司回復；半雙工位也就是兩個能都能發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，但不能同時發(fā)送和 接受，比如你打電話時是不能接電話,對方也一樣；而全雙工位是兩者之間都能發(fā)送 和接受數(shù)據(jù)，并可同時發(fā)送和接受。像互聯(lián)網(wǎng)就是典型的例子。 信息輸送的過程也有同步和異步之分： 同步的意義在于發(fā)送數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)線和時鐘 線是同步的，也就是數(shù)據(jù)信號和時鐘信號同時由 CPU 進行發(fā)送，這需要彼此都要專門 的時鐘信號來進行傳送和接送， 并且是強制性的， 這種方法的特點在于它的速度極快、 但相應占用 CPU 的工作時間也相對的要長、同時技術(shù)難度也非常的大。它的要求在于 在一幀的數(shù)據(jù)傳送中不能有一位的誤差，不然的話整個數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤，這在硬件上 是一個比較大的難度。在一些專用的設(shè)備中應用的越來越廣泛，像專用的醫(yī)療設(shè)備、 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文7 數(shù)字信號設(shè)備等，在比較單一數(shù)據(jù)的傳輸中，它的效果非常的好。 而異步是應用范圍最廣泛的，這得益于它的技術(shù)難度相對要小、同時不需要配制 專門的時鐘信號、它的特點在于，它的數(shù)據(jù)是間隔性的，離散性的發(fā)送和接受，當 CPU 太忙的時候可以停頓性去工作，在硬件上也減少了難度，同時數(shù)據(jù)的丟失相對要 少，我們可以通過數(shù)據(jù)的檢測來觀察我們發(fā)送的數(shù)據(jù)是否有錯誤，像奇偶法、累加法 和八位效驗法等，都可以用來幫助我們檢測發(fā)送的數(shù)據(jù)是否有錯誤發(fā)生，通過反饋來 進行辨別。 信息的傳送口線有串口和并口之分：通常的 PLC 是 8 位機，當然也有 16 位機。 我們在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候可以是一位一位的發(fā)送給對方， 也可以 8 位 8 位的將數(shù)據(jù)發(fā)送 到對方，一位和 8 位區(qū)別也就是我們所說的串口發(fā)送數(shù)據(jù)和并口發(fā)送數(shù)據(jù)。串口速度 比較慢，但只要兩條或者三條口線就能解決問題，并能借用電話線來進行遠程控制。 而并口的傳送速度是極快的，它是串口的 256 倍，在短距離占有優(yōu)勢，由于是 TTL 電平，一般限于 1 米的范圍，它并不適用于長距離的數(shù)據(jù)傳送，這樣成本太昂貴了。 很多的情況下我們總喜歡采用串并轉(zhuǎn)換芯片來進行傳輸， 這種情況下不需要我們 進行過于復雜的寄存器設(shè)置了，而直接通過數(shù)據(jù)傳送指令進行數(shù)據(jù)交流，但在通信中 并不是一個十分可行的辦法， 因為在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候?qū)Ψ降?PLC 必須一直等待你的數(shù) 據(jù)輸出，它不能去做其他的工作。 當你在看書的時候，你聽到有人敲門、你停下手上的事情、去打開門、并同敲門 者對話、這個時候電話響了、你示意接個電話、在接完電話后、回過頭來同敲門者繼 續(xù)對話、對話完畢后、你再繼續(xù)看你的書，這種情況我們把它稱為中斷，它具有權(quán)威 性，也具有優(yōu)先性，PLC 具備了這樣的功能。它的特點在于我們在設(shè)備的操作過程中 可能會遇到緊急的突發(fā)事件，我們要立刻的停下手上的工作，去處理更重要的事情， 這種情況是我們經(jīng)常所遇到的， PLC 在去執(zhí)行緊急的任務時， 總會先保存目前的狀態(tài)， 比如程序的地址，CPU 的累加器數(shù)據(jù)等，就像我們?nèi)ラ_門時要記下我們看的書在第幾 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文8 頁了或者干脆作個記號，因為我們待會還要繼續(xù)接著看后面的書。CPU 總是按照我們 的意愿去做應該做的事情，但你錯誤的給它一件事情，它也會同樣的去做，這一點我 們必須注意。 中斷并不是只有一個，有時會同時存在幾個中斷，中斷具有優(yōu)先的級別，他們會 根據(jù)人的要求去執(zhí)行更高級別的中斷。這種中斷中的中斷也就形成了中斷嵌套。當然 中斷的級別根據(jù)各種 PLC 內(nèi)部 CPU 的資源有關(guān)，同時也跟堆棧的容量大小也有關(guān)系。 中斷的內(nèi)容有很多種，比如外部中斷、通信中的發(fā)送和接受中斷、定時和計數(shù)的 時鐘中斷、還有 WDT 復位中斷等，它們豐富了 CPU 在處理各種事務時響應種類。這樣 講也許你并不能完全理解中斷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作順序，我們做一個小小的例子來說 明. 每一個設(shè)備總是不會忘記有一個按鈕，它也是在我們遇到緊急情況時使用的，那 就是急停按鈕。當我們遇到人身事故和意外情況時我們只要按下它，機器立即停止所 有的操作，并等待處理完意外后再恢復操作。急停按鈕連接 PLC 內(nèi)部 CPU 的內(nèi)部 I/O 接口上，當按鈕給 CPU 一個外部觸發(fā)信號時，CPU 對 I/O 進行再次檢測，當確認有外 部觸發(fā)信號時， CPU 保護現(xiàn)場并將程序計數(shù)器自動轉(zhuǎn)到相應的外部I/O中斷程序中去， 當外部中斷程序處理完畢，程序計數(shù)器返回到主程序繼續(xù)工作。有一點可以說明的是 我們一般會把急停按鈕的外部中斷升至最高級別，從而保證安全。 當我們在工作完一個工件時，給 PLC 一個信號，將 PLC 的內(nèi)部計數(shù)器加 1 來計算 我們一天的工作量時，一個簡單的計數(shù)器能解決問題，當然它們也能夠在掉電的情況 下保持數(shù)據(jù)，促使數(shù)據(jù)不丟失，這也是我們所渴望的。 PLC 還具有高級計數(shù)器的功能，當我們在接受一些高速的數(shù)據(jù)時，這里所說的高 速是在在微秒級的數(shù)據(jù)，比如條碼掃描機在不斷的掃描數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理器 DSP 計算的 高速信號等，我們就要采用到高級計數(shù)器來幫助我們進行計數(shù)。它在 PLC 執(zhí)行程序時 一旦發(fā)現(xiàn)高級計數(shù)器對應的中斷，就會立即放下手上的工作。經(jīng)過再次編程的梯形圖 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文9 程序說明我們在執(zhí)行程序時高級計數(shù)器會自動的執(zhí)行對應的工作， 從而將高級計數(shù)器 的級別升至高一級別。 你也許聽過太多的這個詞:“死機” ，大致的意思是 CPU 工作量過大，內(nèi)部資源不 足等情況造成程序無法運行。PLC 也有類似的情況，在 PLC 內(nèi)部有一個看門狗 WDT， 我們可以設(shè)置 WDT 一個程序運行的時間， 當程序運行過程中出現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)錯誤時或者 程序繁忙時，程序的運行時間超過 WDT 的設(shè)置時間，CPU 轉(zhuǎn)而 WDT 復位狀態(tài)。程序重 新開始運行，但對中斷不會進行破壞。 PLC 的發(fā)展已經(jīng)從單一的模式進入了通信的網(wǎng)絡(luò)時代，并同其它的工控網(wǎng)板和 I/O 卡板輕易的進行共享。組態(tài)軟件可以將所有的這些硬件連接起來，通過更直觀的 動畫圖片來進行控制，并可以通過互聯(lián)網(wǎng)在異地進行控制，像神舟五號的發(fā)射就是采 用這種辦法來使飛船升空。更高層次的發(fā)展需要我們不斷的努力來取得。PLC 的出現(xiàn) 已經(jīng)足足影響了幾代人，我們也從上一輩的經(jīng)驗中獲取了更多的知識和教訓，來不斷 的發(fā)展 PLC 技術(shù)，將它推向更高浪潮。 1.2 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 是以微處理器為核心的計算機控制系統(tǒng)。如圖 1.3 所示 圖 1.3 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文10 (1) 中央處理單元（CPU） PLC 的中央處理器與一般的計算機系統(tǒng)一樣，是 PLC 的控制中樞，其性能決定了 PLC 的性能。它按 PLC 中程序賦予的功能有條不紊地進行工作。 (2) 存儲器（RM/ROM） 存儲器是具有記憶功能的半導體電路，主要用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作 數(shù)據(jù)等。PLC 中使用的存儲器由只讀存儲器(ROM)、只讀存儲器(ROM)及可擦除只讀存 儲器（EPROM）組成。存儲器是衡量 PLC 性能的一個重要指標。 (3) I/O 接口 輸入接口一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構(gòu)成，負責微處 理器及外部設(shè)備交換信息。它接受來自現(xiàn)場檢測不見（如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇 開關(guān)、行程開關(guān)）以及其他一些傳感器輸出的開關(guān)量或模擬量（要通過模數(shù)變換進入 機內(nèi)）等各種狀態(tài)控制信號，并存入輸入映像寄存器。 輸入接口采用光電耦合電路將 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備隔離起來， 以提高 PLC 的抗干擾能 力。輸入接口電路通常有兩類：一類為直流輸入型，另一類是交流輸入型。 輸出接口模塊是 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接部件，用來將輸出信號送給控制對 象。其作用是將中央處理單元送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號并輸 出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、電動機等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。 (4) I/O 擴展接口 小型的 PLC 輸入輸出接口都是與中央處理單元 CPU 制造在一起的。 為了滿足被控 設(shè)備輸入輸出點數(shù)較多的要求，常需要擴展數(shù)字量輸入輸出模塊；為了滿足模擬量控 制的需要，常需要擴展模擬量輸入輸出模塊，如 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換模塊等。I/O 擴展接 口就是為連接各種擴展模塊而設(shè)計的。 (5) 通訊接口 通訊接口用于 PLC 與編程器、計算機、變頻器、觸摸屏以及其他 PLC 等智能設(shè)備 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文11 之間的連接，以實現(xiàn) PLC 與智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。 (6) 編程器 編程器主要有兩種。一種是 PLC 專用編程器，有手持式和臺式等。另一種是基于 個人計算機系統(tǒng)的 PLC 編程器。 (7) 電源 電源部件將交流電源轉(zhuǎn)換成供 PLC 內(nèi)部需要的直流電源。它的好壞直接影響 PLC 的功能和可靠性，因此目前大部分 PLC 均采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，同時還向各種擴 展模塊提供 24V 直流電源。 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第二章水塔水位控制系統(tǒng) PLC 硬件設(shè)計 2.1 水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計要求 水塔水位控制裝置如圖 2.1 所示： 圖 2.1 水塔水位控制裝置圖 水塔水位的工作方式 當水池液位低于下限液位開關(guān) S1，S1此時為 ON，電磁閥打開，開始往水池里注 水，定時器開始定時，當 4S 以后，若水池液位沒有超過水池下限液位開關(guān)時，則系 統(tǒng)發(fā)出報警，若系統(tǒng)正常，此時水池下限液位開關(guān) S1為 OFF,表示水位高于下限水位。 當水位液面高于上限水位，則 S2為 ON，電磁閥關(guān)閉。 當水塔水位低于水塔下限水位時，則水塔下限水位開關(guān) S3為 ON，水泵開始工作， 向水塔供水，當 S3為 OFF 時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當水塔液面高于水 塔上限水位時，則水塔上限水位開關(guān) S4為 ON，水泵停止。 當水塔水位低于下限水位，同時水池水位也低于下限水位時，水泵不能啟動。 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文13 2.2 外部接線與控制列表 圖 2-2 水塔水位控制電氣接線圖 表表 2.12.1 水塔水位模擬控制接線列表水塔水位模擬控制接線列表 名稱PLC 端子說明 燈 MQ0.0模擬水塔提水水泵電動機運行動作 燈 YQ0.1模擬地面水池的進水閥門的開關(guān)動作 開關(guān) S1I0.0模擬水池水位低限報警信號 開關(guān) S2I0.1模擬水池水位高限報警信號 開關(guān) S3I0.2模擬水塔水位低限報警信號 開關(guān) S4I0.3模擬水塔水位高限報警信號 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文14 2.3 I/O 接口分配 2.3.1 列出水塔水位控制系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表 表表 2.3.12.3.1 水塔水位控制系統(tǒng)水塔水位控制系統(tǒng) PLCPLC 的輸入的輸入/ /輸出接口分配表輸出接口分配表 輸入信號輸入信號輸入變量名輸入變量名輸出信號輸出信號輸出變量名輸出變量名 X000啟動開關(guān)Y000水閥 M1 X001停止開關(guān)Y001水泵 M2 X002水池下限位Y002水池下限指示燈 A1 X003水池上限位Y003水池水位報警指示燈 A2 X004水塔下限位Y004水池上限指示燈 A3 X005水塔上限位Y005水塔下限指示燈 A4 Y006水塔水位報警指示燈 A5 Y007水塔上限指示燈 A6 2.3.2 水塔水位控制系統(tǒng)的 I/O 設(shè)備 這是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有 6 個開關(guān)量，開關(guān)量輸 出觸點數(shù)有 8 個， 輸入、 輸出觸點數(shù)共有 14 個， 只需選用一般中小型控制器即可。據(jù) 此，可以對輸入、輸出點作出地址分配。 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文15 第三章水塔水位控制系統(tǒng) PLC 軟件設(shè)計 3.1 程序流程圖 水塔水位控制系統(tǒng)的 PLC 控制流程圖，根據(jù)設(shè)計要求，控制流程如圖 3-1 所示 圖 3.1 水塔水位控制系統(tǒng)的 PLC 控制流程圖 這種分時操作的過程稱為 CPU 對程序的掃描。掃描從 0000 號存儲地址所存放的 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文16 第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲地址號遞增順序逐條掃 描用戶程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu) 成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復始。 3.2梯形圖程序設(shè)計及工作過程分析 梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的 觸點、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似， 但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電 器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制 功能的編程，絕大多數(shù) PLC 用戶都首選使用梯形圖編程。 梯形圖編程的一般規(guī)則有： （1）梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然 后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖 所使用的元件編號地址必須在所使用 PLC 的有效范圍內(nèi)。 （2）梯形圖是 PLC 形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而 圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流” 、 “得電”等來 形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電 流” ，而且認為它只能由左向右單方向流;層次的改變也只能自上而下。 （3）梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應某位觸發(fā)器為 “1 態(tài)” ，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“O 態(tài)” 。 梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定 時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(jié)果。 （4）梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右 邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文17 （5）繼電器線圈在一個程序中不能重復使用:而繼電器的觸點，編程中可以重 復使用，且使用次數(shù)不受限制。 （6）PLC 在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐 步進行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設(shè)計梯 形圖時，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設(shè)計大大簡化。所以，由 梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對 應于一條指令，一條指令為一個步序。當 PLC 運行時，用戶程序中有眾多的操作需要 去執(zhí)行，但 CPU 是不能同時去執(zhí)行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行 一個操作。 3.2.1 工作過程 設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，4 個液位指示燈全滅。當執(zhí)行程序時，掃描 到水池為液位低于水池下限液位時，水閥打開，開始往水池里進水；如果進水超過 4 秒，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報警，水池 報警燈 A2亮。若 4 秒之后水池液位按預定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工 作，水池下限位的指示燈 A1亮，此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng)檢測 到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，水泵開始工作，向水塔供水；如果進 水超過 4 秒，而水塔液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動報 警，水塔報警燈 A5亮。當水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈 A3亮， 水閥就關(guān)閉。但是水塔現(xiàn)在還沒有裝滿，可此時水塔液位已經(jīng)超過水塔下限水位，則 水塔下限指示燈 A4亮，水泵繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿時，水塔 液位超過水塔上限，水塔上限指示燈 A6亮。但剛剛給水塔供水的時候，水泵已經(jīng)把 水池的水抽走了，此時水池液位已經(jīng)低于水池上限，水池上限指示燈 A3滅。此次給 水塔供水完成。 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文18 3.2.2 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖，如圖 3.2.2 所示： 圖 3.2.2 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖 (1)啟停程序： 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文19 圖 1 啟停程序梯形圖 (2)水閥控制程序： 圖 2 水閥控制程序梯形圖 (3)水池下限水位指示程序： 圖 3 水池下限水位指示程序梯形圖 (4)水池水位報警程序： 圖 4水池水位報警程序梯形圖 (5)水池水位上限指示程序： 圖 5 水池水位上限指示程序梯形圖 (6)水泵啟?？刂瞥绦颍?圖 6水泵啟?？刂瞥绦蛱菪螆D 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文20 (7)水塔水位下限指示程序： 圖 7水塔水位下限指示程序梯形圖 (8)水塔水位報警程序： 圖 8水塔水位報警程序梯形圖 (9)水塔水位上限指示程序： 圖 9水塔水位上限指示程序梯形圖 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文 第四章水塔水位控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計 4.1 組態(tài)軟件概述 “組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系（簡稱 DCS）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產(chǎn) 過程自動化技術(shù)人員所熟知的。在工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和應用過程中，PC（包括 工控機）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢日趨明顯。這些優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：PC 技術(shù) 保持了較快的發(fā)展速度，各種相關(guān)技術(shù)已臻成熟；由 PC 構(gòu)建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相 對較低的擁有成本；PC 的軟件資源和硬件資豐富，軟件之間的互操作性強；基于 PC 的控制系統(tǒng)易于學習和使用，可以容易地得到技術(shù)方面的支持。在 PC 技術(shù)向工業(yè)控 制領(lǐng)域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件， 它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控 層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動 控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應該能支持各種工控設(shè)備和常 見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對應于原有的 HMI（人 機接口軟件，HumanMachineInterface）的概念，組態(tài)軟件應該是一個使用戶能快速 建立自己的 HMI 的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領(lǐng)域的用戶通 過手工或委托第三方編寫 HMI 應用，開發(fā)時間長，效率低，可靠性差；或者購買專用 的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進行 數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境 中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應用系統(tǒng)。隨著它的 快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對 I/O 設(shè) 備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，隨著技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦 予新的內(nèi)容。 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文22 4.2 組態(tài)軟件在我國的發(fā)展 組態(tài)軟件產(chǎn)品于 80 年代初出現(xiàn)，并在 80 年代末期進入我國。但在 90 年代中期 之前，組態(tài)軟件在我國的應用并不普及。 究其原因，大致有以下幾點： （1）國內(nèi)用戶還缺乏對組態(tài)軟件的認識，項目中沒有組態(tài)軟件的預算，或?qū)幵?投入人力物力針對具體項目做長周期的繁冗的上位機的編程開發(fā)，而不采用組態(tài)軟 件； （2） 在很長時間里， 國內(nèi)用戶的軟件意識還不強， 面對價格不菲的進口軟件 （早 期的組態(tài)軟件多為國外廠家開發(fā)），很少有用戶愿意去購買正版。 （3）當時國內(nèi)的工業(yè)自動化和信息技術(shù)應用的水平還不高，組態(tài)軟件提供了對 大規(guī)模應用、大量數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控、處理并可以將處理的結(jié)果生成管理所需的數(shù) 據(jù)，這些需求并未完全形成。 隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應用的深入，在面臨規(guī)模更大、控制更復雜的控制系統(tǒng)時，人 們逐漸意識到原有的上位機編程的開發(fā)方式。對項目來說是費時費力、得不償失的， 同時，MIS（管理信息系統(tǒng)，ManagementInformationSystem）和 CIMS（計算機集成 制造系統(tǒng)，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量應用，要求工業(yè)現(xiàn)場 為企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、決策提供更詳細和深入的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的各 個環(huán)節(jié)。因此，在 1995 年以后，組態(tài)軟件在國內(nèi)的應用逐漸得到了普及。 4.3 組態(tài)軟件的功能特點和發(fā)展方向 目前看到的所有組態(tài)軟件都能完成類似的功能：比如，幾乎所有運行于 32 位 Windows 平臺的組態(tài)軟件都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并且對工業(yè)控制系統(tǒng)中 的各種資源（設(shè)備、標簽量、畫面等）進行配置和編輯；都提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動程序； 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文23 都使用腳本語言提供二次開發(fā)的功能，等等。但是，從技術(shù)上說，各種組態(tài)軟件提供 實現(xiàn)這些功能的方法卻各不相同。從這些不同之處，以及 PC 技術(shù)發(fā)展的趨勢，可以 看出組態(tài)軟件未來發(fā)展的方向。 4.4 建立 WINCC 組態(tài)畫面 4.4.1 WINCC 組態(tài)畫面 打開 WINCC 組態(tài)軟件， 新建單用戶項目， 然后進入圖形編輯管理器， 建立 WINCC 組態(tài)畫面，如圖 4.1 所示。 圖 4.1 4.4.2 畫面演示 啟動仿真，運行 WINCC 組態(tài)畫面。點擊“啟動按鈕”，“水閥”動作，如圖 4-2 所示和圖 4.3 所示： 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文24 圖 4.3.1 啟動初始 WINCC 畫面 圖 4.3.2 啟動初始仿真畫面 4 秒后，若“水池低水位指示”信號未輸入，則“水池低水位”報警燈報警，如 圖 4.4 和 4.5 所示： 山西職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文25 圖 4.4 水池報警 WINCC 畫面 圖 4.5 水池報警仿真畫面 若“水池低水位”信號輸入，則報警不啟動，啟動“水泵”